浅埋隧道穿越建筑物桩基的施工力学分析

【摘 要】随着科技的进步和经济的发展，我国城市隧道工程的数量不断的增多。而在开挖城市隧道工程时，会影响到隧道周边的地质结构，使得部分地区的土质发生受力变形。我国浅埋隧道建设大多离城市建筑物比较近，在施工过程中，难免会对建筑物的桩基造成影响。浅埋隧道会穿越过上部的桩基础，从而引发土体移动，让隧道顶桩出现位移和轴力影响，从而危及建筑物的安全稳固。本文就此对浅埋隧道穿越建筑物桩基的施工力学进行分析，通过实例来证明隧道开挖对桩基的影响程度，并深入的调查关键部分的受力特征和变形过程，从而为隧道施工提供科学合理的开挖、支护方法。

【关键词】浅埋隧道；穿越桩基；截桩施工；施工力学

我国国民经济水平的提高，促使我国城市地铁工程、隧道工程的数量不断增多。虽然地铁隧道工程给城市交通带来了便利，但是浅埋隧道的开挖也给周边环境带来了一些负面影响。在城市之中开挖浅埋隧道，会受到空间、线路的限制，从而造成浅埋隧道穿越建筑物的桩基。在这样的状况下，必须要解决好隧道穿越的截桩处理，维护好建筑物和所建设的隧道安全稳固。而如何才能将浅埋隧道影响周围环境的程度降到最低，需要深入研究施工力学的理论和行为。在穿越施工的过程中，隧道结构和上部建筑物的安全稳固，和隧道工程内的支护体系、围岩体系有一定的联系。如果围岩和支护体系受到了破坏，比如出现了水平收敛、拱顶下沉等现象，那么就会危及整体机构的安全。因此，在浅埋隧道的过程中，需确定科学合理的开挖和支护体系。

1 工程概况

某隧道最终断面是3.0m×3.2m，纵坡i=0.30%，全程分为三段，隧道D2K180+ 110―D2K200+ 116段属于浅埋地段，地表内分布着夹碎石层和粉质粘土。隧道出口地区土质为残积砂粘土和回填松土，约为5.7―8.9m厚度，隧道下层是砂岩、页岩组成的风化层，风化程度比较严重。隧道周边土质结构不够稳定，有较差的整体性，围岩容易出现变形和坍塌。其中，隧道需要开挖的范围属于砂岩、风化泥岩和页岩层，开挖的形式选择松动爆破。隧道出口位于D2K196+830―D2K196+860中间，隧道穿过了某楼房的桩基，穿过有35m长度。隧道开挖的设计为V级的衬砌整体，开挖隧道为10m的高度、8m的宽度。

2 浅埋隧道穿越建筑物桩基的平面受力状况

2.1 建模考虑

在建模之前，我们需对设计施工图进行调查，从而确定浅埋隧道工程在穿越建筑物桩基的不利工况。在隧道DSK196+843处，桩底距离设计开挖的顶面有261cm，而路线中心距桩基中心有1.6m的距离。为了得到更好的模型，隧道的围岩体系使用6节点单元，呈现三角形结构。隧道的衬砌和桩基采用4节点单元，呈现矩形结构。隧道周围以及桩结构周围采用细密的围岩体。梁单元为钢拱架模拟，杆单元为锚杆模拟。大管棚的超前支护模式以拱部岩体模量的提高为前提，从而组成有限元计算的网格。设计的模型，其可为55m的长度、45m的高度，整个隧道结构和支护结构的确定都依据实际的尺寸。在模型之中，考虑到了地下洞室的结构荷载以及地表的荷载问题，减去了构造的应力。根据自重应力场决定地应力场。边界的条件，其底面和侧面都受到法向的约束。上部建筑的荷载力量，会作用在桩顶的部位，而单桩所承受的荷载量，大概为F=10.76× kN。整个爆破开挖的模拟，按照80%初始量来进行模拟。

2.2 模拟的过程

在建筑物桩基的处理中，整个隧道的钢筋混凝土衬砌是最终承力结构。离开挖轮廓近的部位，把桩基的前后设成钢架纵向的加固。并将前后的钢架都焊在一起，从而形成整体的框架。用框架拖住桩体的部位。喷射40cm厚度、2.2m宽度的C20混凝土，要求C20混凝土要达到70%的设计强度，凿除掉开挖轮廓外的桩体。隧道的暗挖区间内，使用二步短台阶的方法进行施工，无论是初期的隧道支护还是二次衬砌，所达到的厚度，都要保证不低于800mm。下部围岩在衬砌初期阶段，设置好钢拱架，并做好仰拱。支护在开挖轮廓的部位，将桩基截断。再次进行二次衬砌。

3 分析浅埋隧道穿越建筑物桩基的施工力学

3.1 分析位移现象

为了能够更确切的得知浅埋隧道对桩基位移的影响程度，可在该隧道各部分设置好检测节点，并做好定期的监测。在监测中我们得知，隧道在开挖完成以后，左下拱脚和桩底有比较大的位移量，桩底最大的位移达到了2.3cm，左下拱脚达到了1.7cm的位移量。

桩底和左下拱脚之所以会出现比较大的位移，主要有三个原因。一是因为桩基受到了比较大的承载力，特别是受到了上部荷载的影响。隧道开挖完毕，会出现斜向变形的现象。如果没有桩基，隧道就会偏向于左右对称的形式；二是由于受到了隧道开挖的影响，桩基出现了侧向或者竖向的变形。没有处理好桩基的变形，隧道和建筑物桩基出现了互相摩擦和影响。需加强对桩基的加固，减少开挖所造成的影响；三是因为桩基是端承桩，底部受力集中。没有截桩的时候，下部岩体支撑桩体，周边岩土会释放大量的应力，致使变形程度上升。左侧拱脚是最薄弱的区域，仰拱两侧的位移有较大差异的变化。右侧变形小、左侧变形大。要保证底板不会出现断裂破坏的现象。

3.2 分析应力现象

从浅埋隧道开挖的竖向应力图中看出，拱部衬砌的部位受到桩基竖向应力值比较大，也比较集中。应做好重点加固的措施。整个隧道属于偏压构件，轮廓处的岩体开挖，支护体系没有较高的强度，会受到桩体侧向位移的影响，出现塑性破坏的问题。在开挖毛洞时，两侧拱脚会释放比较大的应力值，容易受拉导致破坏。

3.3 分析衬砌结构的内力

钢拱架是隧道初期阶段最主要的支护构件，在开挖毛洞之后及时的进行施加，能够抵御隧道初期的过大变形。钢拱架最大弯曲值在未截断的桩基岩体承重部位。这是由两种原因引起的，一是因为该处是桩基的端承部位，应力比较集中，会受到竖向压力的影响。二是因为围岩体早已完成了初期支护，应力释放值比较小，所以弯矩很大。因此，截桩之后需及时做好二次衬砌，避免隧道底板出现剪切破坏的问题。在截桩以后，桩基是由钢拱架、底部混凝土，加上二次衬砌一同承载。有较均匀的受力情况，强度很高，因此剪力和弯矩值比底部的值要小。而且该结构形式为偏压结构，开挖会使得桩体出现侧向的变形，钢架拱部轴力值比较大。

结束语：

本文为了更好的了解浅埋隧道在穿越建筑物桩基时，是否会对隧道的围岩、支护体系和建筑物的桩基造成影响，选择工程实例进行研究，组织了数值模拟系统，重点探讨了在开挖浅埋隧道时围岩的破坏规律。浅埋隧道穿越建筑物桩基的施工力学方面，主要有桩基的位移现象、拱部衬砌的应力问题以及衬砌结构的内力受力状况。对施工力学进行综合分析，尽量避免三种施工力学的影响，能够获得比较安全合理的支护衬砌方案，具有良好的浅埋隧道施工效果。

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